CN105734618B - 一种复杂轮廓薄壁回转体零件电铸方法 - Google Patents

一种复杂轮廓薄壁回转体零件电铸方法 Download PDF

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Abstract

一种复杂轮廓薄壁回转体零件电铸方法，属于电铸加工领域。其过程包括：步骤1、阳极设计为阴极轮廓上每个点法向平移相同距离，得到新的一系列的点，将这些新的点拟合，得到阳极二维轮廓；再根据设计的阳极二维轮廓，设计一组绕阴极轴向均匀布置的薄片窄阳极，相邻薄片窄阳极之间间隙相等；步骤2、阴极在电铸过程中绕中心轴转动，促进电铸液及时更新并保证阴极轮廓上每点的电场环境一致。本发明能改善复杂轮廓回转体阴极电流密度分布，得到均匀铸层。当回转体零件为壁厚大于3mm的厚壁零件时，电铸过程中不停机在线逐片切换阳极改善电流分布，得到厚度均匀性高的电铸层。

Description

一种复杂轮廓薄壁回转体零件电铸方法
技术领域
本发明属电铸加工领域，具体涉及一种复杂轮廓薄壁回转体零件电铸方法。
背景技术
回转体薄壁零件是现代工业必不可少的一种特定形状的零件，如超声速风洞喷管，反光镜等。利用传统方法该种零件回转体薄壁金属零件时，零件装夹变形、热变形和刀具损耗等都是难以避免问题。
随着科技的发展，这些回转体薄壁零件对厚度均匀性要求越来较高。电铸是被广发应用的制造薄壁金属零件的精密特种加工技术，但电铸技术存在一些缺陷和局限性。由法拉第定律可知，阴极每个点电流密度越大，该点电铸层越厚。工件形状复杂以及阳极形貌改变导致工件表面电流密度分布不均匀，造成阴极金属沉积分布不均，导致金属层厚度不均匀，影响工件的性能。
在实际生产过程中，人们通常采象形阳极和优化阳极的方法来改善电铸零件壁厚均匀性。传统象形阳极设计制造较为简单，能改善电流密度分布的均匀性。采用较大电极间隙，避免阳极形貌改变导致阴极电流密度分布均匀性恶化，但遇到形状复杂，均匀性要求高的工件时，设计出的阳极难以满足工件电铸层厚度均匀性要求。优化阳极的方法能够大大改善电流密度分布的均匀性，但是若工件形状复杂，则设计步骤繁琐，设计出的阳极形状复杂，大大提高阳极加工难度，甚至无法加工。
发明内容
本发明针对具有复杂轮廓和回转体结构的薄壁金属零件电铸层分布不均匀的问题，提出一种能改善阴极电流密度分布，得到均匀铸层的复杂轮廓薄壁回转体零件电铸方法。
一种复杂轮廓薄壁回转体零件电铸方法，其特征在于：
步骤1、阳极设计为阴极轮廓上每个点法向平移相同距离，得到新的一系列的点，将这些新的点拟合，得到阳极二维轮廓；再根据设计的阳极二维轮廓，设计一组绕阴极轴向均匀布置的薄片窄阳极，相邻薄片窄阳极之间间隙相等；
步骤2、阴极在电铸过程中绕中心轴转动，促进电铸液及时更新并保证阴极轮廓上每点的电场环境一致。
根据阴极上每点法向平移相同的距离，保证阴极上每一个点距离阳极相同的距离，保证阴极表面电场的均匀性。阳极为一组绕阴极轴向均匀不知的薄片窄阳极，电铸过程中，阴极转动保证溶液充分更新以及阴极表明每点的电场环境一致。
上述步骤1中阴极法向平移的距离为电极间隙，当阴极的电铸层厚度小于0.8～3mm时，述电极间隙为1～5mm。采用1～5mm的电极间隙提高电场分布的均匀性，以此提高电铸层厚度的均匀性。
当阴极的电铸层厚度大于3mm时，根据厚度分阶段换阳极电铸,每一阶段对应电铸层厚度小于3mm。提高每段电铸层厚度的均匀性以此保证整个电铸层厚度的均匀性。
利用ANSYS软件模拟每阶段阴极电铸过程，得到对应的阴极轮廓，据此设计每阶段的薄片窄阳极；根据因电铸层厚度增加而改变的阴极轮廓切换阳极，使阴极表面电流密度最优分布，得到厚度均匀性较好的电铸层。
附图说明
图1是阳极轮廓设计示意图；
图2沉积单元结构示意图；
图3是阳极片分布示意图；
图1，2和3中的标号名称是：1、阴极轮廓，2、阳极轮廓，3、导电环，4、电源，5、阳极定位，6、阴极定位，7、电铸槽，①以初始阴极轮廓为目标函数设计的阳极轮廓，②以带有电铸层阴极轮廓为目标函数设计的阳极轮廓。
具体实施方式
本发明专利“一种复杂轮廓薄壁回转体零件电铸技术”阳极设计过程过程：如图1所示，取一系列的点拟合成阴极1轮廓，将阴极1轮廓上每个点法向平移一定距离，得到新的一系列的点，将这些新的点拟合，得到阳极2轮廓，法向平移的距离为电铸间隙。
图2是沉积单元结构示意图。电铸间隙较小，对阴极与阳极的安装定位精度要求高，阴极1通过电铸槽7底面阴极定位6定位，阳极2通过电铸槽底面阳极定位5安装定位，保证阴极轮廓与阳极轮廓每处的法向间隙相等。电铸过程，用直流电源或脉冲电源4供电。根据设计的阳极2二维轮廓，阳极2制作成一组薄片窄阳极，每片阳极之间有一定间隙，方便电铸液及时流入流出，得到更新。电铸过程中，阴极1在电铸过程中绕中心轴转动对电铸液进行搅拌促进溶液更新，也能保证阴极1轮廓上每点的电场环境一致，得到厚度均匀的电铸层。阳极2为不溶性阳极，加工过程阳极2形貌不会变化，避免阴极1表面电流密度分布均匀性恶化导致电铸层厚度不均匀。
本发明针对厚度小于3mm的回转体零件，当回转体零件的壁厚大于3mm时，根据厚度分阶段换阳极电铸，采取换阳极方式提高电铸层厚度均匀性。如图3所示阳极片①轮廓可根据初始轮廓设计最优阳极。以阳极片①为阳极，利用ANSYS软件模拟阴极3生长过程，得到一定厚度的铸层以及新的阴极轮廓，阳极片②的轮廓可根据此时轮廓设计最优阳极。以此类推，可设计多个阳极片。在实际电铸时，可多次跟换阳极片，得到厚度均匀性好的电铸层。
本专利以某型拉瓦尔喷管外形为例，电铸液为氨基磺酸镍溶液，电流密度为4A/dm2，电极间隙选为2mm、5mm、10mm与20mm,电铸实验所得电铸层厚度为0.5mm。在电铸层上轴向选取一系列点，量取每点电铸层的厚度，以这些厚度数据的方差作为电铸层厚度均匀性的评价指标。电极间隙为2mm、5mm、10mm与20mm的电铸层厚度方差为0.0063、0.0171、0.0284与0.0458。
本专利以某型拉瓦尔喷管外形为例，通过ANSYS仿真电铸过程，电流密度为4A/dm2，电极间隙选为1～10mm。电极间隙为1mm～5mm时，电铸层厚度偏差为0.8±0.015mm～3±0.5mm。当电极间隙为6～10mm时与电铸层厚度统一为3mm时，上下偏差为±0.83mm～±1.9mm。

Claims (2)

1.一种复杂轮廓薄壁回转体零件电铸方法，其特征在于：
步骤1、阳极设计为阴极轮廓上每个点法向平移相同距离，得到新的一系列的点，将这些新的点拟合，得到阳极二维轮廓；再根据设计的阳极二维轮廓，设计一组绕阴极轴向均匀布置的薄片窄阳极，相邻薄片窄阳极之间间隙相等，阴极法向平移的距离为电极间隙；
步骤2、阴极在电铸过程中绕中心轴转动，促进电铸液及时更新并保证阴极轮廓上每点的电场环境一致；
当阴极的电铸层厚度为0.8~3mm时，上述电极间隙为1~5mm，按照步骤1及步骤2获得电铸层；
当阴极的电铸层厚度大于3mm时，利用ANSYS仿真软件模拟每阶段阴极电铸过程，得到一定厚度的镀层及新的阴极轮廓，根据此时新的阴极轮廓，按照步骤1的方法，设计最优阳极；结合步骤2根据因电铸层厚度增加而改变的阴极轮廓不停机在线逐片切换阳极，使阴极表面电流密度最优分布，得到厚度均匀性较好的电铸层。
2.根据权利要求1所述复杂轮廓薄壁回转体零件电铸方法，其特征在于：当阴极的电铸层厚度大于3mm时，根据厚度分阶段换阳极电铸,每一阶段对应电铸层厚度小于3mm。
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